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淺談集成電路無塵車間設計探討

2018-05-15 17:11:27   作者:kewatt  出处:科瓦特

  中国电子工程设计院  秦学礼

  摘要

  隨著IC生産工藝技術的不斷發展,對于無塵車間生产环境及其它配套系统要求也相应更为严格,本文81"、12",IC生产的無塵車間设计中有关無塵車間形式和送风方式、空气处理及温湿度保证措施,悬浮分子污染物(AMC)的控制,以及無塵車間排烟等方面的设计方案,进行了多方案的综合分析和评价。

  引言

  集成电路(IC)是集多种高新技术于一体的高科技产品,它几乎存在于所有工业部门,对国民经济的发展起着“倍增器”的作用,因此被 国家作为战略性产业。同时IC产业也是当今世界上发展最为迅速、竞争最为激烈的产业。由于下游产品的需要以及生产成本的考虑,IC不断朝着特征尺寸缩小,硅片直径增大的方向发展。目前 上以8”、0.25-0.18微米为代表的工艺已进入大生产,以12”、0.15-0.13微米为代表的工艺也开始进入大生产,研究工作已进入纳米阶段,70纳米、40纳米的器件已在实验室中制备成功。

  随着工艺牛产技术的不断发展,IC生产对于环境及其他配套系统的要求也相应越来越严格,说到环境首当其冲的是無塵車間,8”、12”IC生产无论对洁净度、温湿度还是空气中分子级污染物(AMC)、防微振、防静电等都有极严格的要求,有些苛刻的要求甚至使某些传统的做法受到挑战。

  1、無塵車間形式

  1.1無塵車間从平面布置划分一般有三种形式:即开放式(ballroomtype)、港湾式(baycliasetype)、岛形布置(islandtype),如图1、2、3。

开放式洁净室
港湾式洁净室
岛行布置

  以上三种形式無塵車間各有其优缺点,IC前工序生产厂通常采用港湾式和开放式無塵車間,港湾式無塵車間在5”、6”IC生产厂用得较多,其工艺设备为穿墙式:而8”、12”IC生产厂则普遍采用开放式無塵車間加微环境(mini-environment)的方式。开放式無塵車間显著的优点首先是对工艺布置带来最大的灵活性,这尤为重要,因为当今[C生产技术发展极为迅速,不论产品本身要求还是工艺生产过程和生产设备都处在不断变化中,而IC生产工厂的建设周期从开始设计到安装工艺设备通常需要一年半左右的时间,在这段时间内丁艺生产技术以及工艺没备需要不断的调整和更新,只有

  这样才可以保证投产时其生产技术小会处于落后的窘地,即使投产以后,也会因产品、市场及生产技术等因素的变化而需要对生产线进行改造以调整产品和产能。其次8”、12”IC生产对环境尤其是洁净度耍求极为严格,通常硅片暴露区(加工过程)要求1.5级(209E,O.lμm,1级).采用开放式無塵車間加微环境方式再配套自动物料处理系统automatedmaterialhandlingsystem.AMHS),一方面口可以使操作人员和其他污染源与硅片完全隔离,另一方面生产自动化程度的提高对提高硅片成品率极为有利。开放式無塵車間加微环境方式,工艺生产只要求微环境内有很严格的洁净度,而开放式無塵車間只需保证5-6级,这样严格要求的洁净度区域大大减少,保证洁净度所需的循环空气量也相应减少,能耗大大降低,通常情况下开放式無塵車間加微环境方式其维持洁净度所需的能耗大约仅为港湾式無塵車間的1/3[]。实际工程中微环境是由设备自带的和开放式無塵車間完全脱开,再加上开放式無塵車間本身结构简单,动力设备减少,这样无论从设计到建造都变得简单快捷,可以缩短建造时间。

  采用开放式無塵車間加微环境方式,确保硅片加工过程所需的洁净度的关键区域是微环境,微环境通常如图4、图5所示。

净化系统提供微环境

微环境

  图4所示的微环境的送风是由無塵車間送风系统提供,其缺点是不灵活,移动或增加工艺设备不方便。目前8”、12”IC生产线所用的微环境基本上是图5的形式(光刻机除外),微环境全部由工艺设备自带,与工艺设备紧密结合在一起,并且与装载台、前开口传递盒(frontopeningunifiedpods.FOUP)、吊挂传输系统(ovcerheadhoisttransport,OHT)有机结合。微环境系统的风机直接吸室内的空气,经ULP过滤器处理后垂直下吹,以保证硅片暴露区严格的洁净度要求。微环境内的送风断面风速通常保持在0.2-0.45m/s,并保证过滤器出口断面上任意一点的风速不超过平均风速的±20%,过高的风速会使微环境的温度偏高。微环境的风机应为变频风机以适应过滤器的阻力变化,所用过滤器的效率≥99.99995%(MPPS)。为避免周围“脏”空气渗入微环境,微环境相对于周围环境(开放式無塵車間)应保持不低于1.25Pa的正压,这可以通过调节底部的回风阀门实现。8”、12”IC生产对防微振要求极高,而微环境所用的风机紧靠生产设备,所以风机与设备问应设有效减振措施,并且风机本身产生的振动在3-100Hz频段内任意一个频率点的振动位移幅值≤1.25μm。

  1.2、無塵車間从送风系统方式划分一般也有三种形式:即集中送风系统(centralsystem)、隧道系统(tunnelsysterm、FFU系统(fanfilterunitsystem),如图6、7、8。

集中送风系统

 

隧道系统

 

ffu系统

這三種送風系統各有特點,從不同的角度比較會得出不同的結論,所以不能簡單地說孰優孰劣,送風系統方式的采用主要取決于業主、設計人員的關注點側重于哪些方面。不過FFU系統近幾年來得到越來越廣泛的使用,尤其是在亞太地區。國內也不例外,已建的和在建的8”、12”IC生産廠房幾乎都采用FFU系統,很多5”、6”IC生産廠房近幾年也采用FFU系統。究其原因,除了習慣、經驗等非技術性因素之外,不外乎有以下幾個原因:

  a)灵活性:在三种系统中,FFU系统的灵活性是 的,这点特别适应当今IC生产技术飞速发展的要求,由于随着产品生产工艺的发展洁净度等级需求也会不断严格。隧道系统几乎谈不上灵活性,且隧道系统是以操作区作为送风、设备区作为回风的空气循环系统,但8”、12”IC厂房無塵車間日前基本上都采用Ballroom方式,,f:分操作区和设备区,因此隧道系统也就不适用J;集中送风系统有一定的灵活性,但洁净系统改造时必须停机、停产。如果要提高局部区域的洁净度,除了無塵車間顶部要增加HEPA/ULPA过滤器外,还需增设循环机组,从而使改造难度大,而且对生产有较大影响;采用FFU系统,局部增加FFU台数或移动FFU位置均很容易实现,而且可以在不停产的情况下进行,对生产几乎没有影响。

  b)调控性:和集中式送风系统相比,FFU系统各区空气交叉的情况相对要少,可以实现较高精度的温湿度控制。随着电机与网络控制技术的发展,FFU很容易实现单台控制,每台FFU出风速度在一定范围内几乎可以任意调节,这样就很容易解决大跨度無塵車間远近端气流不均匀的问题。另外FFU还可以根据实际使用需要停开或少开启一部分。

  c)可靠性:采用集中送風系統只要一台送風機組出現故障,整個系統的潔淨度就得不到保證,除非有備用機組能立即投入運行;對于隧道系統一旦某一台循環機組停止運行,該循環機組所負擔的潔淨區域的潔淨度、溫濕度就無法保證,生産也只好停止;而FFU系統這方面的風險相對要小得多,即使有一台FFU出現故障,其影響面很小另外隨著網絡監控技術的發展,FFU系統因數量多而造成維護不便的情況也已得到改善。

  d)氣密性與空間利用:FFU系統由于風機直接設在工作區上方,因此工作區相對于回風道及上靜壓箱爲正壓,工作區以外汙染物極少因泄漏進入上作區:相反的,集中送風系統和隧道系統工作區相對于上靜壓箱爲較大的負壓,因此泄漏的風險性比FFU系統要高得多。另外采用集中送風系統及隧道系統,上靜壓箱與周圍環境的壓差很大,極易發生空氣泄漏,因此對上靜壓箱的氣密性要求很高,基本上不允許管線進人。而FFU系統的上靜壓箱相對于周圍環境只是微正壓,上靜壓箱內可以布置或穿越諸如排風和排煙等管道,使空間得到合理利用。

  e)能耗问题:一些统计资料表明,在IC厂房中,维持生产环境洁净度的空气循环过滤系统是除工艺设备外的耗能最大的系统,所以采用何种送风系统其能耗也是必须考虑的因素。大型轴流风机的全压效率理想上可达80%,电机效率一般可达90%,则用电效率是两者的乘积72%,如果考虑消音器对风压造成的损失,使风机全压效率降至70%,则用电效率也随之降到63%(假设电机效率不变);8”、12”IC厂房無塵車間中的FFU通常采用直流无刷电机,效率也可达到90%[2],通常用电效率在50%左右。所以在 的运行状态下,大型轴流风机的单机用电效率高于小型FFU应该是没有什么疑问的。但实际工程情况又怎样呢?由于直流无刷电机可以在相当大的运行范围里保持高效率出力,而大型轴流风机在变频运转后电机效率会急剧下降,但洁净系统中HEPA/ULPA的阻力是不断变化的,且初、终阻力相差较大,所以在相当长的时间内风机是在非设计状态运行,从这方面考虑FFU系统又会具有一定优势。所以对集中送风系统和FFU系统的能源效率比较,很难做出明确的结论,应视具体工程项目的产品生产情况、净化空调系统及其设备配置情况等确定。

  2、空氣處理及溫濕度保證

  8”、12”IC生产由于其工艺加工线宽极小,所以对温湿度的精度要求很高,通常温度精度为±0.3~±0.5℃,相对湿度精度为±2%~±3%。该类厂房無塵車間一般采用新风集中处理加FFU系统,在下夹层或上静压箱内设干表冷器。無塵車間内的相

  對濕度由新風機組保證,溫度由幹表冷器保證。

  2.1、新風處理及相對濕度保證

  新风处理机组的功能段如图9所示,新风处理机组中设置初、中、高效三级过滤,以去除室外空气中的灰尘粒子,设高效过滤器很有必要可以延长無塵車間顶部FFU内ULPA过滤器的使用寿命;

新风处理机组

  设置化学过滤器主要是去除室外空气中对IC生产有影响的杂质气体,根据工厂所在地的室外空气品质设置相应的化学过滤器,化学过滤器后通常需设中效过滤器以去除化学过滤器本身的产尘;通过设在新风处理机组内的两级表冷、两级加热以及洁净蒸汽加湿器保证新风处理机组出口的干球温度及露点温度全年基本恒定,而机组出口的露点温度还应根据其对应送风区域内的相对湿度进行连续的重新整定,以保证室内的相对湿度。这里不以房间内的相对湿度直接控制加湿器或表冷器,而以房间内的相对湿度连续的重新整定机组出口的露点温度,再由该露点温度控制加湿器或表冷器是为了得到更及时的湿度控制:由于外网蒸汽中含有对IC生产有影响的杂质,新风处理机组的加湿应采用洁净蒸汽。洁净蒸汽加湿器通常设在表冷器前,这样可以使新风处理机组确提高相对湿度控制精度的潜能。有些工程中是以喷淋初级纯水(一级RO后)代替洁净蒸汽加湿器,这是一举两得的好办法,因为喷淋纯水既可以达到加湿的目的,又可以去除空气中对IC牛产有影响的杂质气体。新风处理机组还应保证無塵車間内的正压,所以新风机组内的风机应配置变频装置,以無塵車間内的正压值控制风机转速。新风集中处理有诸多优点,但在寒冷地区使用时则特别要注意盘管的防冻问题。另外因8”、12”IC生产对环境的可靠性有极高的要求,新风处理机组必须设一台备用机组。
 

  2.2、循環風處理及溫度保證

  8”、12”IC厂房無塵車間通常采用FFU系统(如图8),室内空气经干表冷器冷却处理后与新风混合,再由设在房问顶部的FFU加压、过滤后送入房间。还有一种情况是干表冷器设在上夹层,空气处理过程略有不同,其过程为:新风和回风混合,再经千表冷器冷却,最后由FFU加压、过滤后送人無塵車間。干表冷器主要是消除無塵車間内的显热负荷,根据無塵車間内的温度控制对应区域的干表冷器以保证房问的温度。采用该系统应注意以下几点:

  a)爲得到精確的溫濕度控制,應盡量減少Ballroom內各區域之問的氣流交叉,所以各區域的幹表冷器結構形式、空氣側阻力應盡量一致。

  b)考慮室內濕度精度及表冷器空氣側阻力等因素,應確保幹表冷器在幹工況下工作,幹表冷器所用的冷凍水溫度應根據室內濕負荷、室內空氣的露點溫度等因素確定,IC廠房工藝生産設備發濕量很少,考慮幹表冷器所用冷凍水本身的溫度控制精度以及其他的安全余量,實際工程中一般冷凍水供水溫度比室內空氣露點溫度高2~3℃,溫差通常取3~5℃,根據室內溫度控制精度確定。幹表冷器所用的冷凍水通常以混水方式或換熱方式得到。

  c)幹表冷器斷面風速不宜太高,因爲過高的風速會使幹表冷器空氣側阻力偏大,而由于房間噪聲要求的限制FFU所能提供的機外余壓有限,一般爲90Pa,考慮其他風路阻力,幹表冷器的空氣側阻力通常控制在40Pa左右。

  3、空氣中分子級汙染物(AMC)控制

  随着lC生产的飞速发展,其加工的特征尺寸越来越微细化,去除空气中的AMC(airbomemolecularcontamination)问题越来越受到人们关注, 半导体制造技术协会(SEMATECH)及其他机构、组织对IC生产中AMC的危害和允许浓度分别进行了分析预测,表l是SEMATECH所预测的 半导体发展进程及相应的AMC的要求。一些研究结果表明,空气中的金属离子(Na、K、Fe、Cu、Zn等)会破坏绝缘层,使p-n结漏电;而氮氧化物、二氧化硫、氨、有机物、臭氧、硼、磷等都会引起电路缺陷。AMC已直接影响到产品的成品率和可靠性,所以应加以控制。

ic控制要求

  3.1AMC的來源

  AMC来源于無塵車間内及室外空气。無塵車間内的AMC主要来源于以下几个方面:工艺牛产使用的各种化学品,工艺设备和原材料的气体释放,室内操作人员以及各种建筑材料等。室外空气中的AMC多少与IC厂房所在地的空气质量有关,且地方差异性较大,通常越是工厂集中的工业区来自室外的AMC就越严重。

  3.2AMC的控制

  减少無塵車間内的AMC应从以下四个方面进行控制:

  a)控制室内产生:工艺生产线本身是AMC最大的产生源,因工艺生产中要使用各种化学品,这些化学品或多或少的要散发到室内空气中形成AMC,所以首先应从生产工艺上考虑尽量减少化学品的使用,另外应控制工艺设备的制作材料、涂料的释放气体。無塵車間的各种建筑材料也是AMC的一大来源,建筑材料引起的AMC涉及面较广,目前通常采取以下措施:尽量采用AMC释放低的建筑装修材料、涂料及密封材料,目前常用的建材中聚四氟乙烯、玻璃、不锈钢、铝合金、表面经烤漆处理的金属材料、高弹性聚氨脂涂料、环氧瓷漆等是可以接受的,而环氧树脂涂料、硅

  密封胶、单/双面密封胶带、阻燃剂已不适用了;改进建筑材料加工工艺,提高加工精度,工程中尽量不用密封胶;洁净系统中的HEPA/ULPA过滤器应采用聚四氟乙烯(PTFE)或低硼低有机物的玻璃纤维制作,另外目前常用的DOP测试方法以及钠焰测试也是不能接受的,SEMATECH推荐采用以去离子水雾携带的固态聚苯乙烯(polystyrenelatex,PSL)小球作为测试粒子;系统中的吸音材料尽量不用玻璃纤维,可以用发泡金属等材料代替;上静压箱用无密封的烤漆板制作;制作风管的材料必须脱脂,密封垫用丁基橡胶:無塵車間空间内的电缆也应采用AMC释放低的材料制作。

  b)控制室外侵入:首先無塵車間空间等应密闭,使周围环境的AMC不渗入無塵車間;其次应防止室外空气中的AMC进入無塵車間内,为此有两个方面需要考虑,第一是新风人口应合理,尽量远离排风口及其他污染源,另外建厂地点应合理。第二是IC厂所在地的室外空气中如含有对生产工艺敏感的AMC,则在室外空气送入無塵車間前应进行可靠的处理,根据室外空气中AMC的种类、浓度以及工艺要求在新风处理机组中设置相应的化学过滤器,也可以在新风处理机组中设淋洗装置加以去除。

  c)控制擴散:對于生産中必須要使用化學品的工藝設備應盡量采取密閉措施,並設置可靠的排風,以減少化學品的散發。另外合理的氣流組織對防止擴散也很重要,潔淨系統設計時應充分考慮減少各區域的氣流交叉。

  d)化学过滤:采取了以上措施虽然可以降低無塵車間内的AMC浓度,但不可能完全杜绝AMC的产生,而有些生产工序对AMC又比较敏感,虽然洁净系统中装有HEPA/ULPA过滤器,该过滤器对于过滤灰尘粒子有效果,但对于AMC几乎不起作用,所以有些生产区域还应设置化学过滤器,以去除無塵車間内的AMC。通常做法是在FFU的HFPA/ULPA过滤器与风机之间增设化学过滤器,针对区域一般是匀胶、显影区以及CVD区。

  4、無塵車間排烟问题

  “洁净厂房设计规范”(GB50073_200l)[3]对洁净厂房疏散走廊明确提出了机械排烟要求,但埘于無塵車間没有明确规定一定要设机械排烟,实际工程中各地消防部门对于IC厂房無塵車間是否设排烟的问题上要求也不一致;但8”、12”IC生产企业的业主通常会将整个厂房进行投保,由于IC生产中要使用多种易燃的气体和液体,保险商一般均要求無塵車間设置机械排烟措施,否则增加保费。所以在8”、12”IC工程中,無塵車間机械排烟经常是不可回避的问题。IC厂房無塵車間国内外目前常用的排烟方式有两种:即下排烟和上排烟。

  4.1下排煙方式

  下排烟一般是在無塵車間回风下夹层或回风竖井内设置排烟口,当無塵車間或無塵車間下夹层发生火灾时,则打开排烟口,开启排烟风机进行排烟,此时新风机组继续运行,往無塵車間上夹层内补充新风,并通过必要的阀门切换使上夹层与無塵車間和下夹层隔开,上夹层内新风由FFU送入室内。采用下排烟必须有以下条件,即無塵車間发生火灾时,無塵車間顶部FFU下吹的断面风速必须大于烟气上升的速度,否则烟气会在無塵車間顶部积聚。通常FFU下吹速度为0.25~0.5m/s.而火灾的热释放率只要大于3kW,烟气的上升速度就会大于0.5m/S[4],所以下排烟方式只是在無塵車間发生小火灾时有效。下排烟方式最近几年在国外的一些IC厂房中得到应用,但国内工程中用得较少。

  4.2上排煙方式

  上排烟是在無塵車間吊顶上设置排烟口,通过排烟风管将各排烟口连接至排烟风机,当無塵車間发生火灾时,打开排烟口,开启排烟风机进行排烟,排烟时新风机组继续运行,向回风竖井内补风.上排烟方式無塵車間内烟气上升气流和排烟气流方向一致,排烟效果比较理想,目前在工程中得到广泛的应用。但采用上排烟方式实际工程中通常会出现以下两个问题,第一个问题是排烟口的布置,在非单向流無塵車間中比较好解决,由于顶部的FFU没有满布,只需在盲板处设排烟口即可;而单向流無塵車間由于顶部满布FFU,且IC厂房的無塵車間跨度都很大,只在侧面布置排烟口又

  不能满足要求,所以不可避免会出现的要在满布FFU的無塵車間吊顶上设置排烟口,据了解目前已有一些制造公司开发出FFU和排烟口结合在一起的产品,使这问题得以解决。第二个问题是排烟分区问题,目前8”、12”lC生产厂房無塵車間基本上

  都采用Ballroom方式,洁净面积达l万多平方米的無塵車間几乎没有分隔,而工艺生产又都采用自动物料处理系统(AMHS),各生产区域顶部都设有纵横交错的吊挂传输系统(OHT),划分排烟分区确实比较困难,实际工程中经常将整个Ballroom视为一个区,这又会面临排烟量极大的问题,为减少排烟系统风量,在某些工程中将工艺设备局部排风系统兼作排烟,但排风系统的管道、配件及设备应满足排烟要求。

  5、結語

  目前8”、12”IC产业住中国大陆的发展只是刚刚起步,由于该产业符合新型工业化的要求,LE得到国家和地J政府的大力支持,预计住未来的几年内将会得到快速的发展,而8”、12”IC生产对無塵車間空气洁净度等各项指标有极严格的要求,無塵車間又是能耗大户,所以设计该类厂房無塵車間时应进行多方案比较,在满足工艺生产要求的前提下,综合考虑可靠性、灵活性、安全性、能源效率、初投资等因素进行设计。

  參考文獻

  l高砂熱學公司有關資料

  2曹芳海,鄭名山等風機一濾網機蛆技術與無塵室氣流過濾循環節能探討CRA.2001.No.5

  3國家標准.《潔淨廠房設計規範>.GB50073-2001

  4黄雅慧.無塵車間火灾烟流控制技求介绍.2000.03.30

  5陳霖新等編著.潔淨廠房設計與施工.化工出版社,2002

  6W.WHYTF.CleanroomDesign.SecondEdition.JohnWitey&SonsLtd.1999